《電子技術(shù)應(yīng)用》
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剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
李 勇1,,孔春偉2,,何繼愛(ài)2,孔全存3,趙 翔4
1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系,精密/超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084;   2.蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院,甘肅 蘭州730050,; 3.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100192,;4.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,,北京100083
摘要: 噴頭驅(qū)動(dòng)電源是壓電噴頭的核心部件之一。針對(duì)厚度剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特征,,分析了0.11~0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20~60 V范圍內(nèi)近似線性增大的關(guān)系,,推導(dǎo)出致動(dòng)壁15 kHz的諧振基頻數(shù)值,結(jié)合噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動(dòng)方式時(shí)序,,設(shè)計(jì)了一種基于直流變換原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源,,實(shí)現(xiàn)了32路噴墨通道分組噴射,其最大輸出電壓范圍±60 V,,正負(fù)脈寬和設(shè)置時(shí)間在15~200 μs內(nèi)在線可調(diào),,單路輸出電流大于6 mA,脈寬最大誤差小于3%,。初步測(cè)試實(shí)驗(yàn)了該驅(qū)動(dòng)電源的可行性,。
中圖分類號(hào): TN722.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.037
中文引用格式: 李勇,,孔春偉,何繼愛(ài),,等. 剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(8):148-153.
英文引用格式: Li Yong,,Kong Chunwei,He Jiai,,et al. Design and implementation of a driving power for shear mode piezoelectric actuated inkjet head[J].Application of Electronic Technique,,2016,42(8):148-153.
Design and implementation of a driving power for shear mode piezoelectric actuated inkjet head
Li Yong1,,Kong Chunwei2,,He Jiai2,Kong Quancun3,,Zhao Xiang4
1.Department of Mechanical Engineering,,Beijing Key Laboratory of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipment and Control, Tsinghua University,,Beijing 100084,,China; 2.School of Computer and Communication,,Lanzhou University of Technology,,Lanzhou 730050,China,; 3.School of Instrumentation Science and Opto-Electronics Engineering,,Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192,,China,; 4.School of Mechanical Engineering,University of Science & Technology Beijing,,Beijing 100083,,China
Abstract: The driving power is one of the key components for piezoelectric actuated inkjet head. In order to design a driving power for an inkjet head, the characteristics of actuating structure on shear mode piezoelectric actuated inkjet head are considered. the approximate liner increasing relationship between the actuating wall displacement in the range of 0.11~0.32 μm is analyzed with driving voltage of 20~60 V,and 15 kHz resonant frequency of actuating walls is derived. A “three cycle” driving mode on the jet channel is researched and analyzed. Then a switching mode DC power which can drive inkjet head is implemented. The realized parameters of the driving power are shown as follows: supplying 32 inkjet channels grouping jet, the maximum voltage outputs of ±60 V, positive and negative pulse width and setting time online adjusting in 15~200 μs, the minimum current outputs of 6 mA in one channel, maximum error of 3% in a pulse width. The feasibility of driving power has been tested.
Key words : piezoelectric actuated inkjet head,;shear mode,;resonant frequency;three cycle,;driving power

0 引言

  隨著傳統(tǒng)打印,、工業(yè)噴繪、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)的蓬勃發(fā)展,,剪切型壓電噴墨打印技術(shù)因其墨滴均勻性好,,可控性強(qiáng),、衛(wèi)星點(diǎn)少等優(yōu)點(diǎn)異軍突起,是當(dāng)今最具應(yīng)用潛力的噴墨打印技術(shù)[1],。剪切型壓電噴墨打印技術(shù)中壓電噴頭結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電源是其關(guān)鍵技術(shù),,噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出激勵(lì)脈沖的幅值、頻率特性影響噴頭噴出墨滴的大小,、速度及頻率[2],。因此,研制一種有效的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源,,對(duì)于提高噴頭噴出墨滴的性能具有重要意義,。

  針對(duì)剪切型壓電噴頭良好的發(fā)展前景,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行了探索研究,。Jürgen等[3-4]從剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁的壓電特性出發(fā),,研究了噴頭結(jié)構(gòu)特征及制造流程。Herman等[5-6]為優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu),,以噴頭噴射墨水時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程為研究對(duì)象,,分析了通道內(nèi)電場(chǎng)、流場(chǎng),、聲場(chǎng)等相互耦合的數(shù)學(xué),、物理模型。Guangya Liu等[7]根據(jù)壓電陶瓷的材料特性,,研究了壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)電源,。但上述研究均為從噴頭結(jié)構(gòu)或壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一種角度進(jìn)行展開(kāi),缺乏兩者的關(guān)聯(lián)耦合,。針對(duì)此問(wèn)題,,本文在分析致動(dòng)壁特性基礎(chǔ)上,結(jié)合剪切型壓電噴頭具體結(jié)構(gòu),,設(shè)計(jì)一種基于直流變換原理的開(kāi)關(guān)式剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源,,實(shí)現(xiàn)噴頭結(jié)構(gòu)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)聯(lián)耦合。采用設(shè)計(jì)出的噴頭驅(qū)動(dòng)電源,,開(kāi)展了電源性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),。

1 壓電噴頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及特性分析

  1.1 厚度剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

  厚度剪切型壓電噴頭是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),使致動(dòng)壁產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng),,導(dǎo)致墨水腔有規(guī)律地增大-減小,,將墨水?dāng)D出噴孔的微機(jī)電裝置。通常壓電噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)噴頭正常工作時(shí)致動(dòng)壁振動(dòng)幅度大,,噴射墨水能力強(qiáng),。通過(guò)研究分析,致動(dòng)壁處于厚度剪切振動(dòng)模式時(shí),,僅有剪切變形,,模間無(wú)耦合,,能量損耗少,機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高,,此時(shí)致動(dòng)壁相比其他振動(dòng)模式振動(dòng)幅度較大,,噴頭噴射墨水能力較強(qiáng)[8]。噴頭致動(dòng)壁是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件,,其制造材料的機(jī)電耦合系數(shù)是選材的重要指標(biāo),,為實(shí)現(xiàn)較高的電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率,選擇機(jī)電耦合系數(shù)較大的軟系壓電陶瓷PZT-5H制造壓電噴頭致動(dòng)壁,。

  根據(jù)剪切型壓電噴頭功能及上述分析,,以PZT-5H壓電陶瓷為基材,設(shè)計(jì)出如圖1所示的剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu),。壓電噴頭致動(dòng)器主要由壓電陶瓷底座、壓電陶瓷致動(dòng)壁,、非壓電陶瓷上蓋,、連接膜、焊盤,、帶有噴孔的噴孔板等構(gòu)成,。

圖像 003.png

圖1  剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)

  在圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)中選擇單通道I為研究對(duì)象,其致動(dòng)壁產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng)時(shí)墨水腔容積變化過(guò)程如圖2所示,。當(dāng)兩側(cè)致動(dòng)壁均接0電位時(shí),,致動(dòng)壁處于靜止?fàn)顟B(tài),墨水腔容積亦處于原始狀態(tài),,如圖2(a)所示,,當(dāng)左、右致動(dòng)壁同時(shí)分別施加正,、反向電場(chǎng)時(shí),,致動(dòng)壁向墨水腔外部運(yùn)動(dòng),該過(guò)程導(dǎo)致墨水腔容積增大,,內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓,,墨水從儲(chǔ)墨器及噴孔處流向墨水腔,如圖2(b)所示,。隨后,,將兩致動(dòng)壁上的電場(chǎng)同時(shí)反向,兩致動(dòng)壁向墨水腔內(nèi)部運(yùn)動(dòng),,該過(guò)程導(dǎo)致墨水腔容積減小,,內(nèi)部產(chǎn)生正壓,將墨水從噴孔中噴出,。如圖2(c)所示,。

圖像 004.png

(a)靜止態(tài)         (b)容積增大態(tài)     (c)容積減小態(tài)

圖2  單通道墨水腔容積變化過(guò)程

  1.2 致動(dòng)壁位移及諧振基頻分析

  為了分析剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁的運(yùn)動(dòng)特性,,對(duì)圖1中致動(dòng)壁沿3方向極化,2方向施加電場(chǎng),,使其在無(wú)外部應(yīng)力作用下做厚度剪切振動(dòng),,由d型壓電方程[9]可得應(yīng)變s23=d15 E2,式中d15為壓電應(yīng)變系數(shù),,E2為電場(chǎng)強(qiáng)度,。應(yīng)變s23對(duì)應(yīng)的內(nèi)部應(yīng)力QQ圖片20161206144004.png式中QQ圖片20161206144007.png為短路彈性柔順系數(shù)。

  為了確定電壓對(duì)壓電噴頭致動(dòng)壁厚度剪切振動(dòng)時(shí)位移的影響,,在圖1所示噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型的致動(dòng)壁上定義如下條件及變量:致動(dòng)壁上部涂覆銅電極,;致動(dòng)壁長(zhǎng)l、電極高h(yuǎn),、致動(dòng)壁厚w(w遠(yuǎn)小于h),,致動(dòng)壁沿z方向極化,y方向施加電場(chǎng),,逆z方向wl面固定,,順z方向wl面膠連支撐。設(shè)y方向撓度為f,,則f是x,、z、t的函數(shù),,可得致動(dòng)壁振動(dòng)的微分方程為:

  QQ圖片20161206143744.png

  式(1)中,,D為彎曲剛度,QQ圖片20161206144132.pngE0為楊氏模量,,QQ圖片20161206144139.jpg為泊松比,,m為致動(dòng)壁位面積質(zhì)量。

  因致動(dòng)壁長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于電極高度,,可近似認(rèn)為致動(dòng)壁y方向撓度f(wàn)不隨x的變化而變化,,即f(x,z,,t)=f(z,,t)。

  在致動(dòng)壁電極上施加動(dòng)態(tài)電場(chǎng)時(shí),,其邊界條件為:

  QQ圖片20161206143747.png

  式(2)中U為驅(qū)動(dòng)電壓,,r為上蓋及連接膜等效為彈簧時(shí)的彈簧系數(shù)。將邊界條件代入式(1),,可得z=h時(shí),,致動(dòng)壁位移S:

  QQ圖片20161206143750.png

  式(3)中m=r(sinkh-sinwkh)+k3(coskh+coswkh),n=k3(sinkh-sinwkh)-r(coskh-coswkh),,QQ圖片20161206144255.jpg為常數(shù),,QQ圖片20161206144257.pngQQ圖片20161206144300.pnga2=DE為極化電場(chǎng)強(qiáng)度,。當(dāng)噴頭噴射40~80 pL墨滴時(shí),對(duì)應(yīng)的致動(dòng)壁的位移位S為0.11~0.32 μm,。將表1所示的致動(dòng)壁尺寸,、參數(shù)代入式(4),可得位移為0.11 μm時(shí),,近似電壓U1=20 V,;位移為0.32 μm時(shí),近似電壓U2=60 V,。因此,,由式(4)可知,0.11~0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20~60 V范圍內(nèi)近似線性增大,。

圖像 001.png

  在致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓近似線性增大范圍內(nèi),,施加在涂覆銅電極的致動(dòng)壁上的激勵(lì)脈沖頻率等于致動(dòng)壁的諧振基頻時(shí),致動(dòng)壁厚度剪切振動(dòng)的幅度最大,。為得出致動(dòng)壁的諧振基頻,,采用瑞利能量法[10-11]對(duì)致動(dòng)壁諧振基頻進(jìn)行近似求解。

  根據(jù)圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型,,設(shè)致動(dòng)壁厚度剪切振動(dòng)時(shí),任一時(shí)刻撓度為:

  QQ圖片20161206143754.png

  式(4)中q為載荷,,QQ圖片20161206144359.jpg為角頻率,,c為初始相位,v0為致動(dòng)壁本征函數(shù),。根據(jù)致動(dòng)壁結(jié)構(gòu)特征,,設(shè):

  QQ圖片20161206143757.png

  由式(5)得撓度為:

  QQ圖片20161206143800.png

  則基于式(6),致動(dòng)壁勢(shì)能:

  QQ圖片20161206143804.png

  致動(dòng)壁動(dòng)能:

  QQ圖片20161206143807.png

  式(8)中g(shù)為重力加速度,。

  根據(jù)動(dòng)能與勢(shì)能關(guān)系Umax=Tmax,,解得致動(dòng)壁諧振基頻:

  QQ圖片20161206143811.png

  式(9)中代入所設(shè)計(jì)致動(dòng)壁的尺寸、參數(shù),,得到致動(dòng)壁諧振基頻QQ圖片20161206144440.png為15 kHz,。

  通過(guò)對(duì)壓電噴頭致動(dòng)壁位移及諧振基頻的理論分析,得出PZT-5H制造的致動(dòng)壁,,0.11~0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20~60 V范圍內(nèi)近似線性增大,;諧振基頻約為15 kHz。

2 剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

  2.1 致動(dòng)壁驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)

  壓電噴頭致動(dòng)器通道由平行排列的致動(dòng)壁陣列構(gòu)成,,相鄰?fù)ǖ拦蚕硗恢聞?dòng)壁,,驅(qū)動(dòng)電源激勵(lì)脈沖施加于通道焊盤上時(shí),等效為電容的致動(dòng)壁其驅(qū)動(dòng)電壓為兩側(cè)通道電壓之差,。分析致動(dòng)壁先向外運(yùn)動(dòng)再向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的工作特性,,相鄰?fù)ǖ兰?lì)脈沖須滿足圖3所示時(shí)序關(guān)系,。在tdraw階段,致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng),,墨水腔容積增大,,墨水從儲(chǔ)墨器和噴孔處流向噴墨通道中部。treinforce階段,,致動(dòng)壁向內(nèi)運(yùn)動(dòng),,墨水腔容積減小,墨水從噴墨通道噴孔中被擠出,。tsetting為墨滴噴射完成后變量的設(shè)置時(shí)間,。一次完整噴射的周期T由tdraw、treinforce,、tsetting之和構(gòu)成,。

圖像 005.png

圖3  單通道激勵(lì)脈沖時(shí)序圖

  通常圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器某一通道噴射墨水時(shí),相鄰?fù)ǖ酪蛑聞?dòng)壁干擾無(wú)法同時(shí)噴射,。為解決基于共享致動(dòng)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的噴頭相鄰?fù)ǖ罒o(wú)法同時(shí)噴射問(wèn)題,,提出將通道分成三組,采用循環(huán)交替工作的方法,,編號(hào)為1+3n的通道為A組,,編號(hào)為2+3n的噴道為B組,編號(hào)為3+3n的通道為C組,。某一組通道擬噴射墨滴時(shí),,該組通道施加圖3中b通道上的激勵(lì)脈沖,相鄰兩通道分別施加a通道,,c通道上的激勵(lì)脈沖,。

  2.2 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

  針對(duì)剪切型壓電噴頭功能、致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特征,、致動(dòng)壁位移在20~60 V范圍內(nèi)隨驅(qū)動(dòng)電壓近似線性增大關(guān)系,、致動(dòng)壁15 kHz諧振基頻、噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動(dòng)方式時(shí)序,,設(shè)計(jì)了一種基于直流變換原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源,。該電源實(shí)現(xiàn)32路通道的分組噴射,其最大輸出電壓范圍±60 V,,正負(fù)脈寬和設(shè)置時(shí)間在15~200 μs內(nèi)在線可調(diào),。剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源總體框圖如圖4所示,壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源由主控模塊,、多路信號(hào)發(fā)生器模塊,、功率放大模塊、上位機(jī)模塊等構(gòu)成。

圖像 013.png

圖4  剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源總體框圖

  主控模塊采用C8051F020單片機(jī)作為核心控制器,,其將上位機(jī)通過(guò)串口通訊模塊發(fā)送至下位機(jī)的含有噴墨通道信息,、激勵(lì)脈沖正負(fù)脈寬與設(shè)置時(shí)間信息的協(xié)議字段進(jìn)行解析,將解析結(jié)果以控制信號(hào)和打印數(shù)據(jù)的形式傳送至多路信號(hào)發(fā)生器,。多路信號(hào)發(fā)生器采用FPGA設(shè)計(jì)定制,,其實(shí)現(xiàn)功率放大之前控制信號(hào)和打印數(shù)據(jù)的32路擴(kuò)展??紤]到未來(lái)噴墨通道數(shù)量的可擴(kuò)展性及信號(hào)發(fā)生器路數(shù)的可定制性,,選用Altera公司高性價(jià)比EP4CE10E22C8N芯片實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)發(fā)生器。

  功率放大模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器生成信號(hào)的功率放大,,當(dāng)放大后的激勵(lì)脈沖施加到噴墨通道焊盤上時(shí),,致動(dòng)壁產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng),導(dǎo)致墨水腔有規(guī)律地增大-減小,,將墨水?dāng)D出噴孔,。功率放大模塊采用MOS管構(gòu)建的全橋輸出放大電路,相鄰兩通道放大電路如圖5所示,,功率放大電路由光電隔離,、MOS管驅(qū)動(dòng)、邊沿調(diào)整,、功率放大四部分組成[12],。

圖像 007.png

圖 5  功率放大電路

  光電隔離模塊輸入信號(hào)為32路信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào),其由光耦H1,、H2和電阻R1,、R2、R10,、R11構(gòu)成。該模塊實(shí)現(xiàn)高壓電路和低壓電路的電氣隔離,,有效抑制電磁干擾,。光電隔離模塊輸出信號(hào)幅值較低,難以驅(qū)動(dòng)功率放大模塊的MOS管,,為此,,設(shè)計(jì)了MOS管驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)光電隔離模塊輸出信號(hào)進(jìn)行放大。MOS管驅(qū)動(dòng)模塊由NPN型三極管Q1,、Q2和電阻R3,、R4、R12,、R13構(gòu)成,。為實(shí)現(xiàn)MOS管輸出脈沖上升沿、下降沿陡直程度可調(diào),設(shè)計(jì)了由電阻R5,、R7,、R8、R14,、R16,、R17構(gòu)成的邊沿調(diào)整模塊。功率放大模塊由MOS管T1~T6,,電阻R6,、R9、R15,、R18和電容C1,、C2,二極管D1~D4構(gòu)成,,其實(shí)現(xiàn)脈沖的功率放大,。為提高M(jìn)OS管T2、T5的柵極電壓,,保證T2,、T5正常導(dǎo)通,設(shè)計(jì)了由電容C1,、C2,,二極管D1、D3,,電阻R6,、R15構(gòu)成的升壓自舉電路。為保護(hù)高壓電源,,設(shè)計(jì)了電阻R9,、R18充當(dāng)限流電阻。為使MOS管T2和T3,、T5和T6分別工作在推挽狀態(tài)下交替導(dǎo)通,,設(shè)計(jì)了將功率放大電路輸入信號(hào)反向的MOS管T1、T2,。為降低激勵(lì)脈沖由高變低時(shí),,殘留在致動(dòng)壁上的電荷對(duì)電路響應(yīng)速度的影響,設(shè)計(jì)了T3和D4,、T6和D2構(gòu)成的正反放電回路,。

  電路中輸入信號(hào)U1、U2滿足圖3所示時(shí)序關(guān)系時(shí),,剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁充放電過(guò)程如下:U1上升沿到來(lái)且U2為低電平,,MOS管T2,、T6導(dǎo)通,T3,、T5關(guān)斷,,20~60 V可調(diào)直流電源經(jīng)T2、T6對(duì)致動(dòng)壁正向充電,,致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng),;U1下降沿到來(lái)且U2為低電平,MOS管T3,、T6導(dǎo)通,,T2、T5關(guān)斷,,致動(dòng)壁經(jīng)T3和D4組成的回路正向放電,,致動(dòng)壁向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。U1為低電平且U2上升沿到來(lái),,MOS管T5,、T3導(dǎo)通,T6,、T2關(guān)斷,,20~60 V可調(diào)直流電源經(jīng)T5、T3對(duì)致動(dòng)壁反向充電,,致動(dòng)壁繼續(xù)向內(nèi)運(yùn)動(dòng),。U1為低電平且U2下降沿到來(lái),MOS管T6,、T3導(dǎo)通,,T5、T2關(guān)斷,,壓電致動(dòng)壁經(jīng)T6和D2組成的回路反向放電,,致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng),并逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài),。

3 壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源測(cè)試實(shí)驗(yàn)

  為了檢驗(yàn)基于直流變換原理設(shè)計(jì)的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)際性能,,在噴頭驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)裝置上開(kāi)展帶負(fù)載的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示,,主要由噴頭驅(qū)動(dòng)電源主控模塊,、多路信號(hào)發(fā)生器模塊,、功率放大模塊,、可調(diào)直流電源、示波器等組成,。

圖像 008.png

圖 6  壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源裝置

  3.1 驅(qū)動(dòng)電源脈沖幅值

  為了檢驗(yàn)噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出脈沖幅值的有效性,,開(kāi)展了脈沖頻率固定時(shí)、不同幅值波形的測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中脈沖頻率,、幅值輸入值分別為:15 kHz,、±20 V、±40 V,、±60 V,。測(cè)試所用致動(dòng)壁容值約為470 pF。圖7為實(shí)際測(cè)試波形,,在電源帶負(fù)載狀態(tài)下,,頻率為15 kHz時(shí),幅值為±20 V,、±40 V,、±60 V的脈沖,其實(shí)際幅值與理論幅值吻合度較好,,無(wú)嚴(yán)重突變,;不同幅值下正脈寬、負(fù)脈寬,、設(shè)置時(shí)間一致性良好,,但存在上升沿、下降沿略有傾斜,,通過(guò)分析,,帶負(fù)載狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電源電路的輸出電阻與致動(dòng)壁構(gòu)成的回路導(dǎo)致了上升沿和下降沿略微傾斜。因此,,驅(qū)動(dòng)電源在15 kHz頻率下,,20~60 V范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí),輸出脈沖幅值無(wú)嚴(yán)重失真,,有效性良好,。

圖像 009.png

(a)脈沖幅值±20 V波形

圖像 010.png

(b)脈沖幅值±40 V波形

圖像 011.png

(c)脈沖幅值±60 V波形

圖7  電源測(cè)試波形

  3.2 驅(qū)動(dòng)電源脈沖頻率

  為了檢驗(yàn)噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出脈沖頻率的穩(wěn)定性,開(kāi)展了輸出脈沖幅值固定,、頻率不同時(shí),,實(shí)際脈沖頻率對(duì)應(yīng)周期的正脈寬、負(fù)脈寬,、設(shè)置時(shí)間與輸入?yún)?shù)的誤差的測(cè)試實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)中脈沖幅值、頻率輸入值分別為:

  ±30 V,、3 kHz,、6 kHz、9 kHz,、

  12 kHz,、15 kHz,。測(cè)試所用致動(dòng)壁容值約為470 pF。實(shí)驗(yàn)中構(gòu)成周期的正脈寬,、負(fù)脈寬,、設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度通過(guò)上位機(jī)設(shè)置。頻率設(shè)置的具體參數(shù)如表2所示,。

圖像 002.png

  實(shí)測(cè)波形與輸入?yún)?shù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示,。在圖8中,隨著脈沖頻率在3 kHz~15 kHz逐漸增大,,頻率對(duì)應(yīng)周期的正脈寬,、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)間與輸入?yún)?shù)的誤差逐漸增大,,但增大幅度較小,,在15 kHz時(shí)誤差值僅為3%。因此,,驅(qū)動(dòng)電源在輸出脈沖幅值±30 V下,,頻率為3 kHz~15 kHz時(shí),驅(qū)動(dòng)電源頻率穩(wěn)定性良好,。

4 結(jié)論

  針對(duì)剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特性,,分析了0.11~0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20~60 V范圍內(nèi)近似線性增大的關(guān)系,推導(dǎo)出致動(dòng)壁15 kHz的諧振基頻數(shù)值,,結(jié)合噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動(dòng)方式時(shí)序,,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于直流變換原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,,在15 kHz頻率下,, 20~60 V范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí),輸出脈沖幅值與理論幅值吻合度較好,;在幅值±30 V下,, 3 kHz~15 kHz范圍內(nèi),頻率對(duì)應(yīng)周期的正脈寬,、負(fù)脈寬,、設(shè)置時(shí)間與輸入?yún)?shù)的誤差最大值為3%,驅(qū)動(dòng)電源頻率穩(wěn)定性良好,。因此,,本文設(shè)計(jì)的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源具有較高的可行性。

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